§ 22. ЯДЕРНЫЕ РЕАКЦИИ ДЕЛЕНИЯ И СИНТЕЗА. ТЕРМОЯДЕРНЫЕ РЕАКЦИИ

Обозначим условно буквами ядра различных элементов, а также различные частицы вещества: протон, нейтрон, электрон и т. д., обладающие массой покоя. Всевозможные реакции, в которых участвуют эти объекты, можно разделить на три группы:

1) реакции синтеза

2) реакции разложения

3) реакции обмена частицами (образование новых ядер из прореагировавших)

Обозначим сумму масс всех тел, участвующих в ядерных реакциях: до реакции — через после реакции — через

Изменение массы в процессе реакции будет равно

Если то реакция протекает с выделением энергии (экзотермическая); при с поглощением энергии (эндотермическая). Произведение является составной частью энергетического баланса реакции. Если рассматривать самый общий случай, когда в реакции участвуют не только частицы, имеющие массу покоя, но и частицы, не имеющие ее (фотоны и нейтрино), то на основании закона сохранения энергии должно быть написано:

где кинетическая энергия частиц, имеющих массу покоя, энергия фотонов, энергия нейтрино; индексом «ноль» обозначены начальные значения энергий. Однако нейтрино вследствие

своей большой проникающей способности не участвует в ядерных реакциях как одна из первичных частиц, поэтому в левой части этого равенства энергия нейтрино будет отсутствовать. Таким образом,

Расчеты упрощаются, если начальной кинетической энергией ядер можно пренебречь, а фотоны присутствуют либо только как возбудители реакций, либо только как ее продукты.

Массы частиц и ядер принято выражать в «атомных единицах массы» (сокращенно а. е. м.): 1 а. е. м. есть массы изотопа углерода и равна Иногда удобно пользоваться энергетическим эквивалентом а. равным

Возможность выделения ядерной энергии в реакциях разложения и синтеза связана с различными значениями «энергии связи одного нуклона» в легких и тяжелых ядрах (см. § 19, рис. IV. 101).

Ядра, расположенные в начале и в конце периодической системы Менделеева, имеют меньшие энергии связи (одного нуклона), чем ядра, находящиеся в средней части (эта энергия имеет максимум для железа, никеля и соседних элементов). Поэтому если, например, ядро урана, для которого эта энергия равна разбить на два ядра, расположенные в средней части периодической системы и имеющие энергию связи порядка то можно получить выделение энергии, равное на каждый нуклон или около на каждое разбитое ядро урана. Этот способ извлечения ядерной энергии используется в урановых реакторах. С другой стороны, если соединить легкие ядра с малыми энергиями связи (на один нуклон) в тяжелые — с большими, то также будет выделена ядерная энергия. Например, при синтезе двух изотопов водорода — дейтерия и трития имеющих энергии связи 1,112 и 2,827 МэВ, в ядро гелия у которого эта энергия равна выделится около на каждый нуклон. Этот способ извлечения ядерной энергии использован в водородных бомбах.